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Title: Search for a charged Higgs boson decaying into a heavy neutral Higgs boson and a W boson in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A<sc>bstract</sc>

A search for a charged Higgs boson H±decaying into a heavy neutral Higgs boson H and a W boson is presented. The analysis targets the H decay into a pair of tau leptons with at least one of them decaying hadronically and with an additional electron or muon present in the event. The search is based on proton-proton collision data recorded by the CMS experiment during 2016–2018 at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The data are consistent with standard model background expectations. Upper limits at 95% confidence level are set on the product of the cross section and branching fraction for an H±in the mass range of 300–700 GeV, assuming an H with a mass of 200 GeV. The observed limits range from 0.085 pb for an H±mass of 300 Ge V to 0.019 pb for a mass of 700 GeV. These are the first limits on H±production in the H±HW±decay channel at the LHC.

 
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Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10472462
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
Springer
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2023
Issue:
9
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc>

    This article presents a search for new resonances decaying into aZorWboson and a 125 GeV Higgs bosonh, and it targets the$$ \nu \overline{\nu}b\overline{b} $$νν¯bb¯,$$ {\ell}^{+}{\ell}^{-}b\overline{b} $$+bb¯, or$$ {\ell}^{\pm}\nu b\overline{b} $$±νbb¯final states, where=eorμ, in proton-proton collisions at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV. The data used correspond to a total integrated luminosity of 139 fb1collected by the ATLAS detector during Run 2 of the LHC at CERN. The search is conducted by examining the reconstructed invariant or transverse mass distributions ofZhorWhcandidates for evidence of a localised excess in the mass range from 220 GeV to 5 TeV. No significant excess is observed and 95% confidence-level upper limits between 1.3 pb and 0.3 fb are placed on the production cross section times branching fraction of neutral and charged spin-1 resonances and CP-odd scalar bosons. These limits are converted into constraints on the parameter space of the Heavy Vector Triplet model and the two-Higgs-doublet model.

     
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  2. A<sc>bstract</sc>

    A search is presented for the decay of the 125 GeV Higgs boson (H) to a pair of new light pseudoscalar bosons (a), followed by the prompt decay of each a boson to a bottom quark-antiquark pair,$$ \textrm{H}\to \textrm{aa}\to \textrm{b}\overline{\textrm{b}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$Haabb¯bb¯. The analysis is performed using a data sample of proton-proton collisions collected with the CMS detector at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. To reduce the background from standard model processes, the search requires the Higgs boson to be produced in association with a leptonically decaying W or Z boson. The analysis probes the production of new light bosons in a 15 <ma< 60 GeV mass range. Assuming the standard model predictions for the Higgs boson production cross sections for pp → WH and ZH, model independent upper limits at 95% confidence level are derived for the branching fraction$$ \mathcal{B}\left(\textrm{H}\to \textrm{aa}\to \textrm{b}\overline{\textrm{b}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}}\right) $$BHaabb¯bb¯. The combined WH and ZH observed upper limit on the branching fraction ranges from 1.10 forma= 20 GeV to 0.36 forma= 60 GeV, complementing other measurements in theμμττ,ττττand bbℓℓ(=μ,τ) channels.

     
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  3. A<sc>bstract</sc>

    Three searches are presented for signatures of physics beyond the standard model (SM) inττfinal states in proton-proton collisions at the LHC, using a data sample collected with the CMS detector at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. Upper limits at 95% confidence level (CL) are set on the products of the branching fraction for the decay intoτleptons and the cross sections for the production of a new bosonϕ, in addition to the H(125) boson, via gluon fusion (ggϕ) or in association with b quarks, ranging from$$ \mathcal{O} $$O(10 pb) for a mass of 60 GeV to 0.3 fb for a mass of 3.5 TeV each. The data reveal two excesses for ggϕproduction with localp-values equivalent to about three standard deviations atmϕ= 0.1 and 1.2 TeV. In a search fort-channel exchange of a vector leptoquark U1, 95% CL upper limits are set on the dimensionless U1leptoquark coupling to quarks andτleptons ranging from 1 for a mass of 1 TeV to 6 for a mass of 5 TeV, depending on the scenario. In the interpretations of the$$ {M}_{\textrm{h}}^{125} $$Mh125and$$ {M}_{\textrm{h},\textrm{EFT}}^{125} $$Mh,EFT125minimal supersymmetric SM benchmark scenarios, additional Higgs bosons with masses below 350 GeV are excluded at 95% CL.

     
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  4. A<sc>bstract</sc>

    A search for a new boson X is presented using CERN LHC proton-proton collision data collected by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV in 2016–2018, and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb1. The resonance X decays into either a pair of Higgs bosons HH of mass 125 GeV or an H and a new spin-0 boson Y. One H subsequently decays to a pair of photons, and the second H or Y, to a pair of bottom quarks. The explored mass ranges of X are 260–1000 GeV and 300–1000 GeV, for decays to HH and to HY, respectively, with the Y mass range being 90–800 GeV. For a spin-0 X hypothesis, the 95% confidence level upper limit on the product of its production cross section and decay branching fraction is observed to be within 0.90–0.04 fb, depending on the masses of X and Y. The largest deviation from the background-only hypothesis with a local (global) significance of 3.8 (below 2.8) standard deviations is observed for X and Y masses of 650 and 90 GeV, respectively. The limits are interpreted using several models of new physics.

     
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  5. A<sc>bstract</sc>

    A search for a new heavy scalar particleXdecaying into a Standard Model (SM) Higgs boson and a new singlet scalar particleSis presented. The search uses a proton-proton (pp) collision data sample with an integrated luminosity of 140 fb1recorded at a centre-of-mass energy of$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The most sensitive mass parameter space is explored inXmass ranging from 500 to 1500 GeV, with the correspondingSmass in the range 200–500 GeV. The search selects events with two hadronically decayingτ-lepton candidates fromHτ+τdecays and one or two light leptons (=e,μ) fromSVV(V=W,Z) decays while the remainingVboson decays hadronically or to neutrinos. A multivariate discriminant based on event kinematics is used to separate the signal from the background. No excess is observed beyond the expected SM background and 95% confidence level upper limits between 72 fb and 542 fb are derived on the cross-sectionσ(ppXSH) assuming the same SM-Higgs boson-like decay branching ratios for theSVVdecay. Upper limits on the visible cross-sectionsσ(ppXSHWWττ) andσ(ppXSHZZττ) are also set in the ranges 3–26 fb and 6–33 fb, respectively.

     
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